基于超声波传感器的流体系统进程监测
P．华普德曼
奥托 · 冯 · 居里"马格德堡技术大学3010 马格德堡 GDR
摘 要
描述过程中流体监测超声波传感器的应用的可能性作为一个例子措施发言在聚合过程中的结果显示。超声波速度 v 是测量的参数。使用脉冲行驶方法。Uhrasound，超声波设备的设计和结果解释的必要的基本概述。智能超声波系统为了过程监测速度和衰减测量的基础上解释，显示用于工业应用超声波原理的局限性。
1.引言
超声波在科学、 技术、 医学和其他领域中的各种应用已经认识了很长时间。在过去 10 年中使用超声，取得了相当大的进展的事实演示其功能和用处。另一方面，适当的入超声波用于监测工业生产过程的研究几乎是已知的。帕帕扎基斯 1976 年第一次总结在这一领域的最重要成果。虽然工业努力在当时的几个地区使用了超声波测量方法、 他们都是限于检定压电和磁 strictive 材料的使用作为超声波发生器和传感器、 超声延迟线的调查及编制的电子工业无损测试/评价/检查。新的可能性为工业用途超声波方法的应用了随着微型计算机的发展。基于半导体材料或纤维光学新传感器以及所谓古典感测器再生了到文艺复兴时期作为传感器。超声波传感器包括在后一类，并可以作为条件传感器或位置监测传感器工作。
在以下的超声波传感器监测中的应用过程中液体的同构或异构系统新原理被提出。作为一个例子，显示了在聚合过程中采取的结果。说明该技术的应用，并显示它的局限性。可以预期的是许多其他应用程序的相同的技术有可能。与其他传感器以及如何可以实现过程控制方面亦会调查进程的更详细的信息。
2.基础知识介绍
行波可以是的弹性的完整研究归入以下两个问题： 1.他们是如何快速做旅行? 2.他们是如何快速腐烂的？工程师想要知道如何使用这些属性。因此他有研究的超声波速度衰减率和不同的材料。
超声波速度和衰减的定义由等式：
p = p (x，t) = p0*e^j(wt-kx) (1)
为在 x 方向与复杂波数 kx 和角频率 o9 超声波传播 = 2nf t 是时间，p 是声波交替振幅。可以编写复杂的波数 kx，在窗体中：
k x = (w/v-m) (2)
其中 v 声波的相速度和X的衰减系数。这些都是可衡量的数量和它们的值是依赖于所用材料和它的结构。V 和 ＆ 测量可以提供有关过程或属性的特定材料的有趣信息。第五阶段速度收益率适当的弹性模量 M 正在传播的模式。关系是：
v = (M/a) 1/2 (3)
对于流体的模数 M 是体积弹性模量和波是纵。对于固体，M 是实体的适当组合本身的弹性模量。组合取决于繁殖的模式和模式又取决于与固体边界波的相互作用 (或缺乏互动）。在各向同性的固体，以及与纵波
（4）
横波的传播速度也会出现
（5）
其中G为剪切模量。
材料的模量，受到很多的物理现象，可，反过来，在学习通过测量超声波波速。
衰减系数产量中试样的吸收和扩散过程出现有关的信息。它以相对复杂的方式取决于传输介质的材料特性。
一个简单的适用于 homegenous 液体下面的等式：
其中，1/s 是它的粘度、 k 是的热导率和;(是比热，即在恒定体积和恒定的压力的比率。放松将出现在放松的情况下进程和这方面的贡献可以比粘性 （由 r/s） 的热部件和 （由 k） 高得多。如果影响很明显衰减增加与频率的平方。这种行为是非常重要的许多技术应用程序和已考虑在工业的撤离。因为在液体中的比率 X 是近 1 方程中的第二任扮演一个不重要的角色。很多时候在异构系统在技术过程中发生。他们是复杂的多相或多组分系统和可以出现在表单的悬浮液或乳状液，有时包含部分溶解的气体。声波参数，取决于在一个复杂的方式，在不同的阶段或组件的材料参数上。当有扩散中心 (例如 固体领域或气泡等) 系统中，然后可以用下面的公式来确定衰减。
（7）
R 是固体领域或气泡的半径。非常高的衰减可能会出现在更高的频率 （对于粒子在发生这种情况在高于 10 兆赫的频率范围-Ixm)。在这种条件下测量在工业条件下的可以是不可能的。在气体中热效应 (方程 (6) 中的第二个期限) 并不是可以忽略不计在超声波频率范围出现非常高的衰减。异构系统中，这可以是用于测量很麻烦。在固体，除了很多聚合物中衰减是一般相对较小。但是，如果普及中心或边界曲面，可以发生相当大的衰减的频率取决于完整的方式。前面所述的不同阶段的行为可以使有关的超声技术应用的最有用频率范围作出结论。对于固体和液体这个范围是从 500 千赫到 5 兆赫，气体是从我到 100 千赫千赫。
声阻抗，定义为 av，描述中的声传播在不同的材料和声音的标本债券在行为中发挥了主导作用/传感器接口。在一个垂直的事件的一种声波在与 Z 的两种材料的边界。以下等式可以用于计算的强度反射系数 R 和强度传输系数 T
在回波模式中工作时，知识的这种行为是必要的所有方法。行波一般由压电换能器的有效传感器元素引入试样。此时铁电陶瓷是最常见但有时，对于特殊的应用中，古典材料石英的使用。在新的发展从聚偏氟乙烯或 PVF 2 聚合物箔计划一个有趣的角色和相应的传感器建设可以与这些聚合物意识到。超声波传感器所描述的最重要的特征是他们的谐振频率、 频带宽度和成机械位移的电气信号转换和声波的振幅的效率。最后一个属性可以影响，不仅是由所用的传感器材料，也是由不同衰减材料超声波传感器的背面。在低于 1 兆赫的频率的声场结构已来加以考虑。
3.在工业中的应用
测量方法
为过程监控脉冲的方法主要被应用。电气信号的转导设备 （超声波传感器） 生产机械位移与进行交互。此机械波被引入试样或过程中等立即或后可以在中间传播媒介时遇到的一些延迟。从样本的回声可能收到的脉冲回波的操作方法，同一换能器或通过试样传递的信号可能收到的另一个传感器在通过传输操作模式。使用方程 (1) 和 (2) 以下是有效：
x 是走过的超声波在媒介和 t 为它的相应时间，所以要传递的路径长度。Uo 和你都感觉到阵地的电压振幅 x = 0 (Uo) 和 x (U) 和比例与声波交替压力 p。
如果已知的固定的距离的换能器测量速度减少到纯时间测量。这种时间测量可以相对容易地获得高精度 （可达 10-5)。可以获得数字信号和在线测量是可能的。测定的超声衰减过程中是具有固定的探头距离的方法使用时，由于是在工业应用中常见的更加困难。然后更改阻抗的中等影响接收信号的振幅。如果这些变化都是未知的衰减调查给出不正确的值。因此，可以作出只不准确相对的结论。往往带有可变换能器的距离的方法在实验室中的应用然后不存在这个问题，但测量精度的不是很大。正是出于这一原因速度测量在大多数情况下用于技术应用。
已有的超声波应用
有两个重要领域的工业超声中的应用： (a) 非破坏性测试/评价/检查和 (b) 在线监测过程。对线过程控制允许连续更正的制作如果被监视的参数显示所需的值的偏差。感兴趣的参数可能不直接 ； 衡量通常功能上与之相关的另一个参数允许更方便测量，即测量的超声波传播速度或衰减。在许多工业过程中知识的流动速度很重要。用于这一目标非常经常应用超声多普勒流量计 (图 l(a)) 和他们都是可靠和准确的设备。 他们还在医学发现了广泛的应用。在过去几年中为工业应用采用了更多的和更多的相关技术。超声传感器在中重要作用这些核心 （图 l(d))。十字架的基础上，可以确定相关函数内液体的流速。两种其他类型，类型的涡街 (图 I(c)) 和星周围的版本 （波过境时间差异） （图 1 (b)） 也使用超声波检测流量受养人现象。新型超声波传感器高敏感流量测量系统描述中叉指的结构基础上 it31 超声换能器和检测新一家双闭环原则都适用。很多时候超声波传感器应用液体液位测量的坦克。这些方法是不只适用于几种方法众所周知，液体的二进制文件系统中的浓度决定行上。时超声波速度是浓度的液体混合物，乳液或解决方案的强大功能，这是可能的。化学、 食品或医药行业可以使用这一原则。在气体系统中作为距离感应器的机器人或燃烧过程的温度传感器应用超声波传感器。作为被动传感器超声换能器的声发射行动。可以举出许多其他例子。
超声波对聚合性的检测
这种系统复杂，可以是异构多组分或多相。超声参数给整体状态信息的这种系统。虽然速度非常敏感地反应到材料或相位变化这一信息是不确定的如果你想要得到一个定量声明有趣的值，例如转换，系统的组件要详细进行调查，以了解他们的影响，或找到实证关系。在几个 polymerisations 期间调查的详细的结果刊载于ir。能够展示的超声波传感器的能力将在以下显示的聚醋酸乙烯聚合的示例。
如果图 2 结果的不同种类的醋酸乙烯 (VAc)-polymerisations 所示。每个国家的聚合是由明确的 c 值描绘的。不同的曲线斜率由负责聚合成分的影响，虽然它似乎没有明确的结论可以进行实验表明这也许可能。如果主要组件的影响众所周知的数量上，然后预测是可能的。半连续聚合反应的如图 2 所示，下面的 c 和种系统的组件之间的关系是有效。
v o 是分散介质的速度，c L 是极限浓度的溶解单体，c ~ 是总使用单体浓度、 Cp 是启动器浓度、C 是稳定剂浓度和 cE 是浓度的是对应的浓度系数。 添加电解质。如果已知浓度系数，特别是不同组件的温度特性，Cp 或 CMcan 由计算机立即确定。为其他类型的 VAc polymerisations 或其他系统，如氯乙烯、 苯乙烯 Butydiene、 修改的算法或实证关系已被证实了。
在图 3 中显示了使用的实验室设备原理图。两个压电陶瓷传感器被安装在底部的一个实验室反应堆在 4.5 厘米的距离。速度被测量使用脉冲在 104 行驶在一个频率我 MHz 和与一个精度为 1 的部分技术。脉冲宽度是 lps。除了行车时间也测量介质的温度。声速温度系数由更正是使用 8 位微机计算的。从这个值可以根据调查的介质可用算法确定作为转换 cp 或其他相应的工艺参数。此信息是立即获得这是这一原则的很大的优势。以这种方式可以监视和控制过程。所使用的设备，在微电脑显示在图 3 中，控制温度和配件到反应的剂量。
